2011-2020年弗拉姆海峡夏季海冰漂移跟踪及变化分析

准确的弗拉姆海峡海冰漂移监测对于量化弗拉姆海峡的海冰输出量,减少北极海冰流失量估计的不确定性具有十分重要的意义.由于数据源和算法的限制,现有的方法在夏季海冰漂移中应用效果不佳,难以监测到准确的海冰运动.本研究发展了一种基于MODIS时序数据和A-KAZE算法的夏季逐日海冰漂移跟踪方法,并基于该方法开展了2011—2020年弗拉姆海峡夏季(4—9月)逐日的海冰漂移监测研究,分析了近10年弗拉姆海峡海冰流速的变化规律.研究选取2020年4月29日到5月5日弗拉姆海峡局部区域作为实验区对研究提出的方法进行了验证.实验结果表明,本研究提出的方法相比于经典的MCC模式匹配算法在跟踪精度上有很大提高,其中速度的均方根误差减少了2.13 km·d^(-1)(73%),角度的均方根误差减少了10°(38%).相比于常用的SIFT、SURF特征跟踪算法,本方法提取到的海冰漂移矢量在数量上更多,空间分布更广.同时,相比于使用MODIS每日合成数据,本方法使用的时序MODIS影像在实验区获取了更大的海冰漂移跟踪范围,平均每日的跟踪面积提升了862.62 km^(2)(近16倍),有效减少了云覆盖对光学数据跟踪效果的影响.此外,研究发现近10年弗拉姆海峡区域夏季海冰流速的空间分布比较一致,呈现出海峡南部流速高于北部,远离海岸流速高于近岸流速的规律.弗拉姆海峡夏季平均海冰流速在年际上不存在明显的增加或减少的趋势,但是在月尺度上总体呈现出4—7月下降,7—9月回升的趋势.本研究提出的海冰漂移跟踪方法可为夏季的海冰漂移研究提供新的思路,针对近10年弗拉姆海峡夏季海冰流速的分析结果也可应用于北极海冰快速变化等相关研究中.

北极冰海耦合模式对两种不同大气再分析资料响应的分析

本文中我们比较了Climate Forecast System Reanalysis(CFSR)高分辨率的再分析数据集和低分辨率的Japanese 25-year Reanalysis Project(JRA25)再分析数据集在向下短波辐射、向下长波辐射、10m风场、近地面气温、降水、湿度上的不同,发现二者差异最大的为降水数据,其次为向下短波辐射数据、向下长波辐射数据。用这两个数据集驱动同一冰海耦合模式,CFSR强迫的海冰、北冰洋中层水和加拿大海盆温盐结构与实测相比有很大差距,等密度面上的地转流速在加拿大海盆和欧亚海盆比JRA25强迫的结果高20%,同时等密度面的深度偏深、位温偏高,在弗拉姆海峡的流通量也比海洋再分析数据Simple Ocean Data Assimilation(SODA)偏多。CFSR的向下辐射数据更加接近实测,采用此数据的敏感性实验模拟结果与实测符合的更好。对于海冰的模拟,云量起着至关重要的作用,降水带来的淡水通量通过影响大西洋入流水携带的热量进而影响到冰区。此外,CFSR过量的降水也是二者对于北冰洋温盐结构、弗拉姆海峡流通量以及地转流强度模拟产生偏差的主要原因。尽管风场的分辨率不同,在海盆尺度上对于海冰和海水温盐结构的影响并不大。

三种国际主流的北极卫星遥感冰速产品评估和分析

冰速是海冰的重要参数,但是受资料长度限制,对卫星遥感冰速产品进行系统比较和评估的研究还较少。利用2009年-2017年国际北极浮标计划(IABP)浮标冰速数据,较系统地评估了不同时间间隔的遥感反演冰速产品在北冰洋内区和弗拉姆海峡附近海区的表现。结果显示,对北冰洋内区而言,1 d间隔的美国国家雪冰数据中心(NSIDC)遥感冰速冬季误差整体大于夏季,冬季高估了波弗特海南部海冰向西的运动,低估了从喀拉海流向格陵兰岛北部的穿极流。对于5种2 d间隔冰速产品而言,产品精度不完全取决于源数据空间分辨率的高低,反演算法的改进和数据融合均能提高冰速的精度,均方根误差大小的顺序是OSISAF-Merged<OSISAFAMSR<Ifremer-AMSR<OSISAF-SSM<OSISAF-ASCAT。对于4种使用相同反演算法的3 d间隔的冰速产品,产品的均方根误差取决于源数据分辨率,空间分辨率最高的Ifremer-AMSR冰速均方根误差最小。比较不同种类、不同时间间隔冰速的月平均均方根误差后可知,采用3 d间隔反演的冰速由于能够忽略更多短时间尺度海冰运动,其冰速均方根误差低于2 d间隔的冰速。在弗拉姆海峡,除Ifremer-AMSR外,其余冰速产品均具有较大的经向偏差和均方根误差。在冰速较快弗拉姆海峡,冰速产品均方根误差取决于源数据的分辨率。